JP2003311471A - 高Ni系耐候性鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents

高Ni系耐候性鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ

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JP2003311471A JP2002117400A JP2002117400A JP2003311471A JP 2003311471 A JP2003311471 A JP 2003311471A JP 2002117400 A JP2002117400 A JP 2002117400A JP 2002117400 A JP2002117400 A JP 2002117400A JP 2003311471 A JP2003311471 A JP 2003311471A
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裕治 橋場
Kunio Koyama
邦夫 小山
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高Ni系高耐候性鋼の溶接に適し、良好な溶
接作業性、特に良好なスラグ剥離性が得られ、母材の耐
食性を損なうことなく海塩に対する耐食性を溶接金属に
付与するガスシールドアーク溶接用ワイヤを提供するも
のである。 【解決手段】ワイヤ全質量に対する質量%で、C :
0.03〜0.15%、Si:0.2〜1.2%、M
n:0.8〜2.0%、Ni:1.0〜5.5%、C
u:0.1〜1.0%、Ti;0.01〜0.1%、
S:0.02〜0.1%、B:0.0002〜0.01
%、P:0.025%以下、Cr:0.10%以下を含
有し、好ましくは、さらに、質量%で、Bi:0.01
〜0.3%を含有し、かつ、S+Biの含有量が0.0
3〜0.2%であり、残部がFeまたは不可避的不純物
からなることを特徴とする高Ni系耐候性鋼のガスシー
ルドアーク溶接用ソリッドワイヤ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、海浜地域、あるい
は融雪剤を散布する地域等、飛来海塩粒子が高濃度で存
在することにより塩害が危惧される環境において、橋梁
等の鋼構造物に使用される高Ni系耐候性鋼の溶接に使
用し、良好な溶接性と優れた溶接金属性能、および溶接
継手部の塩害に対して、優れた耐候性を有するガスシー
ルドアーク溶接用ソリッドワイヤに関する。
【0002】
【従来の技術】従来の耐候性鋼は鋼表面に安定さび相を
形成させることによって耐食性を保っていた。しかし、
海浜地域、あるいは融雪剤を散布する地域等において使
用される場合は、塗装処理やめっき処理を施す必要があ
った。その理由は、飛来海塩が多いと従来安定さび層と
言われてきたさび層ではさびの進行を阻止できないため
であった。近年、Niを含有するさび層中では、解離し
た海塩由来のナトリウムイオン(Na+)と塩化物イオ
ン(Cl-)はさび層中でさび皮膜自体のイオン交換機
能により分離して存在し、Na+は地鉄近傍に偏在して
高PH化、還元性環境をつくり、一方Cl-はさび層表
面付近に偏在して低PH環境となるような、さびの進行
を防止するために有効な機構が示され、飛来海塩の多い
地域においても、塗装処理やめっき処理を必要としな
い、いわゆる裸使用の可能な鋼材が提案されている(引
用文献;材料と環境 vol.49、NO.1,P30
−40(2000年))。
【0003】その鋼材はNiを1.0%以上含有させる
ことを特徴とし、初期さびが発生したとき、Niがさび
層に取り込まれ、これがその後の錆の進展を防止するよ
うに設計されている。溶接金属においてもNiを1.0
%以上含有させることで、鋼材と同じ機構で、飛来海塩
の多い環境でも安定さび層を形成し、それ以上のさびの
進展を防止できる。このような観点から、例えば、特開
平3−47695号公報、特開平3−29409号公報
や特開平5-269592号公報等に高耐候性鋼用溶接
材料としての高Ni含有溶接材料が開示されている。
【0004】また、高Ni系溶接材料はJIS Z32
41 低温用鋼用被覆ア−ク溶接棒に代表されるよう
に、従来は低温で使用されるタンク等の溶接材料として
使用されている。このため、低温での靱性を重要視し、
例えばJIS Z3241ではP:0.025%以下、
S:0.020%以下等不可避成分を低値に規定してい
る等の対策がとられている。これら高Ni溶接材料の転
用でも高耐候性鋼の溶接材料として、溶接金属の高耐候
性を実現できるが、この高Ni系溶接材料はスラグ剥離
が悪い傾向にある。サブマ−ジア−ク溶接のようにスラ
グが厚く、多量の場合は鋼とスラグの熱膨張差が大きい
等で、スラグ剥離性の低下は大きな問題にならないが、
ガスシールド溶接のようにスラグが薄く、少量の場合は
スラグが溶接金属にこびり付き、タガネ等を使用しても
タガネが当たった部分しかスラグが除去されず、スラグ
除去に手間がかかる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の高
Ni系溶接ワイヤに由来する溶接金属は、低温での靱性
に優れ、かつ高耐候性を実現できるが、橋梁等の常温環
境での使用では品質過剰の面がある、一方、高生産性を
要求される場合は、スラグ剥離が悪い等の課題がある。
そこで、本発明は、良スラグ剥離性確保を主題に、併せ
て、これによる靱性低下を改善する高Ni系耐候性鋼の
ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供するこ
とを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記高耐
候性鋼が高Niの添加によって、飛来海塩に対する優れ
た耐食性の保持を図っていることに鑑み、溶接材料にお
いても高Ni系を選択し、かつ、被溶接鋼との接触電位
バランスを適正にし、かつ良好なスラグ剥離性と良好な
靱性の両立を、溶接ワイヤ成分を適正化することにより
図る方法を見いだした。さらに、従来の耐候性鋼の耐候
性向上に有効であったCrが、高濃度海塩環境下では、
むしろ耐候性に対して顕著な悪影響があるということか
ら、ワイヤ中のCr量を規制することが必要であること
を見いだした。本発明は上記知見に基づくものであり、
その要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通
りの下記内容である。
【0007】(1) 高Ni系耐候性鋼のガスシールド
アーク溶接に用いるソリッドワイヤであって、該ソリッ
ドワイヤの組成が、ワイヤ全質量に対する質量%で、C
:0.03〜0.15%、Si:0.2〜1.2%、
Mn:0.8〜2.0%、Ni:1.0〜5.5%、C
u:0.1〜1.0%、Ti;0.01〜0.1%、
S:0.02〜0.1%、B:0.0002〜0.01
%、P:0.025%以下、Cr:0.10%以下を含
有し、残部がFeまたは不可避的不純物からなることを
特徴とする高Ni系耐候性鋼のガスシールドアーク溶接
用ソリッドワイヤ。 (2)さらに、質量%で、Bi:0.01〜0.3%を
含有し、かつ、S+Biの含有量が0.03〜0.2%
であることを特徴とする(1)に記載の高Ni系耐候性
鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。ここ
に、高Ni系耐候性鋼とは、Niを1%以上含有するこ
とにより耐候性が優れた鋼材を云い、JIS G 31
14、および、JIS G 3125に規定される耐候
性鋼を含む。
【0008】
【発明の実施形態】以下、本発明の実施形態について説
明する。まず、本発明のガスシールドアーク溶接用ソリ
ッドワイヤにおける化学組成の限定理由とその作用につ
いて述べる。Cは、溶接金属の強度、靱性を確保するた
めの成分として添加される。0.03%未満では溶接金
属の強度不足およびミクロ組織の粗大化により、靱性が
阻害される。一方、0.15%を超えて添加すると、溶
接金属の強度が過剰となり、靱性が劣化する。以上の理
由により、Cはワイヤ全質量に対する割合で0.03〜
0.15%とした。以下すべて質量%で示す。
【0009】Siは、脱酸剤として溶接金属中の酸素量
を低減させ、靱性を向上させる効果がある。また、溶接
金属中に残留し、合金成分として溶接金属の強度および
靱性を確保するために添加される。脱酸反応で生成する
SiO2は後述するMnの酸化物と共にスラグとなり、
ビ−ド形状を整える作用がある。添加量がワイヤ全質量
に対して、0.2%未満では溶接金属の強度が不足にな
ることに加え、スラグ量が少なく、溶接ビードの被包が
不十分になりやすい。一方1.2%を超えて添加する
と,溶接金属中への歩留りが過剰となり、低温靭性を劣
化させると共に、溶融スラグに凝固むらを生じさせる。
また、Si量はシ−ルドガスの種類で量を制御する必要
があり、100%炭酸ガスシ−ルドではSiは高めに、
Ar−炭酸ガス混合ガスシ−ルドでArの比率が高いほ
どSi量は低めに調整される。これらの理由により、S
iは0.2〜1.2%とした。
【0010】Mnは、脱酸剤として溶接金属中の酸素量
を低減させ、靱性を向上させる効果がある共に、溶接金
属中に移行して強度および靱性を確保するために添加さ
れる。 脱酸反応で生成するMn酸化物は前述のSiO
2と共にスラグを形成し、これの凝固むらをなくし、ス
ラグがビード表面を被包させるのに非常に効果的であ
る。その他、アーク安定剤としての役割もある。添加量
が0.8%未満では,脱酸が不十分となり靱性が劣化す
る。また、溶接金属中への移行が不足するために十分な
溶接金属の強度が得られない。また、スラグのビ−ド被
包性が不足する。一方、2.0%を超えて添加すると、
溶接金属が強度過剰となり溶接金属の靱性を劣化させ
る。この理由により、Mnは0.8〜2.0%とした。
【0011】Cuは、表面さび層の形成時に鋼中Feと
共に溶出し、さび層の形成時にさび粒子の結晶・粗大化
を抑制し、さび層の緻密さを保持するため、また、鋼と
の電位バランス調整で、高濃度海塩環境下における耐候
性を向上させる。また、ワイヤ表面にCuめっきを施す
ことによりワイヤの通電性と送給性が安定化される。
0.1%以上の添加で、その効果が有効に発揮され、添
加量は多ければ多いほど良いが、1.0%を超えると高
温割れが発生し易くなると共に靱性が劣化し易いため
0.1〜1.0%とした。Tiは、脱酸素剤であり、酸
化物を生成するが、共に窒化物も形成する。生成した酸
化物や窒化物が溶接金属のフェライト相内に微細かつ均
一に分散することによって、粒内フェライトの生成核と
もなり、溶接金属の高靭性化を促す効果がある。また、
さび層の気密化にも寄与する。0.01%より少ないと
適正な酸化物、窒化物の形成が適正量に達せず靱性改善
の効果がなく、0.1%を超えると、Ti酸化物が粗大
な介在物となり、溶接金属の低温靭性が劣化する。加え
て、スラグ巻き込み欠陥を生じさせやすく、溶接金属の
機械的性質や耐候性を阻害する。このためTiは0.0
1〜0.1%とした。
【0012】Niは、溶接金属表面さび層形成時にFe
と共にさび層中に溶出し、層中にほぼ均一に含まれるよ
うになる。Niがさび層中に0.5%以上含まれると、
さび層表面に付着した飛来海塩に由来する塩化物イオン
(Cl-)のさび層/地鉄界面への浸透を抑制し、さび
層内層部のCl-濃度の上昇を抑制する。このことはさ
び粒子の結晶化および粗大化を抑制する事になり、さび
層の緻密さを保つ効果をもたらす。さび層中にNiを
0.5%以上含ませるためには、溶接金属中にNi:
1.0%以上を必要とする。Niの耐候性は含有量が高
ければ高い程良いが、5.5%を超えると、溶接におけ
る高温割れが生じやすくなると共に、コスト高にもな
る。以上の理由により、Niは1.0〜5.5%とし
た。
【0013】ただし、ガスシールドアーク溶接用ワイヤ
に含まれるNiは、溶接した際の溶接金属中への歩留ま
りがほぼ100%であり、鋼材との電位差を小さくする
ために、好ましくはワイヤ中へのNiの添加量を鋼材と
同等量にした方がよい。 また、好ましくは高温割れ防
止のため、Ni量を高くするに従い、Cは低くすること
がよく、溶接金属Ni:3%でC:0.9%以下、N
i:5%で C:0.7%以下を目安とするとよい。S
は、溶接金属の靱性を劣化させる元素であり、靱性向上
には低いほど好ましい。一方、スラグ剥離性に対して、
スラグとビ−ド界面にSが集積することで著しい改善効
果があり、この点からはSは高いほどよい。溶接金属の
靭性向上の点からその含有量の上限を0.1%とし、ス
ラグ剥離性の向上の点からその含有量の下限を0.02
%とし、S含有量は0.02〜0.1%とした。
【0014】Bは、窒化物を形成するともに、焼き入れ
性を高める効果がある。B:0.0002%より少ない
とほとんどが窒化物として消費され、焼き入れ性効果は
認められない。一方、0.01%を超えると焼き入れ性
が過剰になり、溶接金属の靱性低下の原因となる。この
ため、B:0.0002〜0.01%とした。Biは、
Sと同様な性質があり、溶接金属の靱性を劣化させる元
素で、靱性の面からは低いほど好ましい。一方、スラグ
剥離性に対して、スラグとビ−ド界面にBiが集積する
ことで著しく改善する。この点からはBiは高いほどよ
い。Sが十分添加されている場合は、Biは少なくても
よく、溶接金属の靭性向上の点からその含有量の上限を
0.3%とし、スラグ剥離性の向上の点からその含有量
の下限を0.01%とし、Bi含有量は0.01〜0.
3%とした。
【0015】前述したようにSとBiは同様な性質を持
ち、お互いの不足量を補完できる関係にあり、S+Bi
が0.03%より少ないとスラグ剥離が悪く、0.2%
を超えると溶接金属の靱性が十分でなくなる傾向があ
り、好ましくはS+Biを0.03〜0.2%に制限す
ることが好ましい。Pは、耐候性を向上するのに有効な
元素であるが、0.025%を越えると、高温割れが発
生し易くなったり、溶接金属の靭性を劣化させたりする
ため、0.025%以下に制限した。Crは、Feより
も卑な元素であり、海塩の多い環境における耐候性を阻
害するため、極力低減させることが好ましい。0.10
%以下であれば、耐候性への阻害を無視できるので、そ
の量を0.10%以下とした。なお、以下とは0%を含
むものである。
【0016】
【実施例】次に、実施例に基づき本発明を更に具体的に
説明する。表1に実施例の一覧を示す。 表2に示す成
分で、1.2mmφのソリッドワイヤを作成し、供試し
た。これを表3に示す条件のもと溶接試験を行い、その
性能を評価した。 試験はビ−ド形状やスラグ剥離性の
溶接作業性と溶接金属の靱性および強度を試験した。な
お、靱性はJIS4号試験片で−20℃に於いて47J
以上を良好とした。また、耐候性は溶接継手から溶接金
属が中央に位置するように厚さ4x幅50x長さ100
mmの短冊状試験片を切出し、これに1日2回、5分/
回の海水を掛ける促進暴露試験を6ケ月行い、腐食の程
度を母材部との比較で調査した、6ケ月後、試験片表面
の錆を酸洗で除去した後、目視観察で異常腐食孔の認め
られるもの、また、粗度計測定で溶接金属部が母材より
凹んでいる物を不良とした。
【0017】実施例1は本発明例で、C低めで、強度調
整から、Si高め、Siに比例して、Mnも高めに、ま
たNiも高めで成分設計して試験した。溶接法は炭酸ガ
ス溶接で、ビ−ド形状はスラグも均一に被り良好で、ス
ラグ剥離もS+Bi:0.031%で良好であった。ま
た、溶接金属の靱性も良好で、耐食性試験結果は母材
(3Ni系)より、Niが高いことにより良好な結果であ
った。実施例2も本発明例で、C高めで、強度調整か
ら、Si低め、Siに比例して、Mnも低めである。ま
たNi、Cuも低めで成分設計して試験した。溶接法は
アルゴン+炭酸ガスシ−ルド溶接であり、ビ−ド形状は
良好、スラグ剥離もS+Bi:0.197%で良好であ
った。また、溶接金属の靱性も良好で、耐食性試験結果
も良好な結果であった。
【0018】実施例3も本発明例で、B高めで、Ti低
めで成分設計して試験した。溶接法はアルゴン+炭酸ガ
スシ−ルド溶接で、ビ−ド形状は良好、スラグ剥離もS
+Bi:0.292%で良好であった。また、溶接金属
の靱性もS+Bi高めのため他に比較して低めではあっ
たが良好な値であり、耐食性試験結果も母材に遜色ない
良好な結果であった。実施例4、5も本発明例で、C,
Si,Mnの適正バランスを試験し、特に実施例5はC
u高めで試験した。溶接法は炭酸ガス溶接で、ビ−ド形
状、スラグ剥離共も良好であった。また、溶接金属の靱
性も良好で、耐食性試験結果も母材に遜色ない良好な結
果であった。
【0019】実施例6も本発明例で、Biなしでワイヤ
設計して試験した。溶接法は炭酸ガス溶接で、ビ−ド形
状良好で、スラグ剥離もSのみであったが良好であっ
た。また、溶接金属の靱性、耐食性試験結果も良好な結
果であった。実施例7は比較例で、Cは低く、Si,M
nを強度調整で高く、Ni低めでワイヤ成分設計し、試
験した。溶接法は炭酸ガス溶接で、スラグ過剰でビ−ド
形状悪く、スラグ剥離はSの効果がないが、Niが低い
ことでほぼ良好であった。また、溶接金属の靱性はN
i,Ti,Bの効果がなく、S低めであったが不良であ
った。耐食性もNiの効果がなく、腐食量が多く不良で
あった。
【0020】実施例8も比較例で、Cを高く、Si,M
nを強度調整で低く、Ni低でワイヤ成分設計し、80
%アルゴン+20%炭酸ガス溶接で試験した。溶接金属
の靱性はC過剰で低く、スラグ不足ぎみでビ−ド形状悪
く、スラグ剥離もSの効果がなく不良であった。また、
耐食性試験結果はNiの効果でほぼ良好であった。実施
例9も比較例で、C、Si,Mnは発明範囲あるが、
P;0.030%でワイヤ成分設計し、炭酸ガス溶接で
試験した。溶接金属の靱性はP過剰の影響で低く、スラ
グ剥離もS,Biの効果がなく不良であった。また、耐
食性試験結果はNiの効果でほぼ良好であった。
【0021】実施例10も比較例で、C、Si,Mnは
発明範囲あるが、S:0.12%でワイヤ成分設計し、
炭酸ガス溶接で試験した。溶接金属の靱性はS過剰の影
響で低く、また、ビ−ド形状もスラグ流れが過剰で悪
く、スラグ剥離はSの効果で良好であった。また、耐食
性もNiの効果で良好であった。実施例11も比較例
で、実施例9を比較してP:0.012%として、Pの
影響ない条件でTiの効果を検討した。溶接は炭酸ガス
溶接で、溶接金属の靱性は実施例9よりPが少ない分、
改善したが十分なものでなかった。スラグ剥離もS,B
iの効果がなく不良で、耐食性はNiの効果でほぼ良好
であった。実施例12も比較例で、C、Si,Mnは発
明範囲あるが、Ti:0.12%,Cu:0.08%で
Ti,Cuの効果を検討した。溶接は炭酸ガス溶接で、
溶接金属の靱性はTi過剰の影響で低く、ビ−ド形状は
ほぼ良好であったが、スラグ剥離もS,Biの効果がな
く不良であった。また、耐食性はCuが低く、母材との
接触電位の差が大きく、やや不良であった。
【0022】実施例13も比較例で、C、Si,Mnは
発明範囲あるが、Bi:0.4%べBiの効果を検討し
た。溶接は炭酸ガス溶接で、溶接金属の靱性はBi過剰
の影響で低く、ビ−ド形状もスラグが偏在し、やや不良
であったが、スラグ剥離はBiの効果で良好であった。
また、耐食性は良好であった。実施例14も比較例で、
C、Si,Mnは発明範囲あるが、Ni:6.3%、C
r:0.4%でNi,Crの効果を検討した。溶接は炭
酸ガス溶接で、溶接金属の靱性は良好であったが、シャ
ルピー試験片の破面で割れが認められた。ビ−ド形状は
高Ni特有のやや凹凸が大きい形状で、スラグ剥離は不
良であった。また、耐食性は高Niで平均減量は小さく
良好であったが、ところどころに、孔食が認められた。
【0023】実施例15も比較例で、C、Si,Mnは
発明範囲あるが、Cu:1.25%、Cr:0.2%で
Cu,Crの効果を検討した。溶接は炭酸ガス溶接で、
溶接金属の靱性はほぼ良好であったが、これもシャルピ
ー試験片の破面で割れが認められた。ビ−ド形状はほぼ
良好であっつたが、スラグ剥離はS,Biの効果がなく
不良であった。また、耐食性は高Niで平均減量は小さ
く良好であったが、ところどころに、孔食が認められ
た。
【表1】
【表2】
【表3】
【0024】
【発明の効果】本発明のガスシールドア−ク溶接用ワイ
ヤは、高Ni系高耐候性鋼に使用することで、海塩腐食
に対して溶接金属も母材と同等以上の高耐候性が確保で
き、かつ従来の高Ni鋼溶接の欠点であったスラグ剥離
性を改善して、良好な溶接作業性が得られるなど、産業
上有用な、著しい効果を奏する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大北 茂 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高Ni系耐候性鋼のガスシールドアーク
    溶接に用いるソリッドワイヤであって、 該ソリッドワイヤの組成が、ワイヤ全質量に対する質量
    %で、 C :0.03〜0.15%、 Si:0.2〜1.2%、 Mn:0.8〜2.0%、 Ni:1.0〜5.5%、 Cu:0.1〜1.0%、 Ti;0.01〜0.1%、 S:0.02〜0.1%、 B:0.0002〜0.01%、 P:0.025%以下、 Cr:0.10%以下を含有し、残部がFeまたは不可
    避的不純物からなることを特徴とする高Ni系耐候性鋼
    のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
  2. 【請求項2】 さらに、質量%で、 Bi:0.01〜0.3%を含有し、 かつ、S+Biの含有量が0.03〜0.2%であるこ
    とを特徴とする請 求項1に記載の高Ni系耐候性鋼のガスシールドアーク
    溶接用ソリッドワイヤ。
JP2002117400A 2002-04-19 2002-04-19 高Ni系耐候性鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ Withdrawn JP2003311471A (ja)

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